VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ
BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ
ÚSTAV AUTOMOBILNÍHO A DOPRAVNÍHO INŽENÝRSTVÍ
FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF AUTOMOTIVE ENGINEERING
STABILIZAČNÍ SYSTÉMY OSOBNÍCH AUTOMOBILŮ
STABILIZING SYSTEMS OF PASSENGER CARS
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE
BACHELOR´S THESIS
AUTOR PRÁCE JAKUB ODEHNAL
AUTHOR
VEDOUCÍ PRÁCE Ing. PAVEL KUČERA
SUPERVISOR
BRNO 2013
BRNO 2013
ABSTRAKT, KLÍČOVÁ SLOVA
A BSTRAKT
Tato bakalářská práce popisuje základní stabilizační systémy osobních automobilů. Tyto systémy zasahují do řízení vozidla a zvyšují tak bezpečnost silničního provozu. Hlavními systémy, které tato práce popisuje, jsou ABS, ASR a ESP. Dále jsou zde shrnuty některé přidružené asistenční systémy. V závěru této práce je také pohled na jednotlivé automobilky a jejich přístup k stabilizaci vozidel.
K
LÍČOVÁ SLOVAABS, ASR, ESP, stabilizace, smyk, brzda, bezpečnost, adheze
A BSTRACT
This Bachelor’s thesis describes basic stabilizing systems of passenger cars. These systems are correcting driving the cars and improve safety of the traffic. The main systems described in this thesis are ABS, ASR and ESP. There are also summarized some other assistant systems. In the end there is also view of various individual car companies and their theories of stabilizing of cars.
K
EYWORDSABS, ASR, ESP, stabilization, skid, brake, safety, adhesion
BRNO 2013
BIBLIOGRAFICKÁ CITACE
B IBLIOGRAFICKÁ CITACE
ODEHNAL, J. Stabilizační systémy osobních automobilů. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2013. 43 s. Vedoucí bakalářské práce Ing. Pavel Kučera.
BRNO 2013
ČESTNÉ PROHLÁŠENÍ
Č ESTNÉ PROHLÁŠENÍ
Prohlašuji, že tato práce je mým původním dílem, zpracoval jsem ji samostatně pod vedením Ing. Pavla Kučery a s použitím literatury uvedené v seznamu.
V Brně dne 24. května 2013 …….……..………..
Jakub Odehnal
BRNO 2013 PODĚKOVÁNÍ
P ODĚKOVÁNÍ
Rád bych tímto poděkoval Ing. Pavlu Kučerovi za odborné vedení v průběhu vypracování bakalářské práce, za poskytnutí literárních zdrojů a mnoho cenných rad.
BRNO 2013 8
OBSAH
O BSAH
Úvod ... 10
1 Stabilizace jízdy vozidel ... 11
1.1 Smyk ... 11
1.1.1 Adheze ... 11
1.1.2 Skluz ... 11
1.2 Přehled hlavních stabilizačních systémů ... 12
2 Protiblokovací systém ABS ... 13
2.1 Princip protiblokovacího systému ABS ... 13
2.2 Historie protiblokovacího systému ABS ... 15
2.2.1 ABS 2S ... 16
2.2.2 ABS 5.0 ... 16
2.2.3 ABS 5.3 ... 17
2.3 Elektronická uzávěrka diferenciálu EDS ... 17
2.3.1 Regulovatelný uzavíratelný diferenciál ... 17
2.3.2 EDS ... 17
2.3.3 Princip elektronické uzávěrky diferenciálu EDS... 18
2.4 Elektronické rozdělování brzdné síly EBD ... 20
2.4.1 Princip elektronického rozdělování brzdné síly EBD ... 20
2.5 Brzdový asistent BAS ... 21
3 Protiskluzové systémy ASR ... 23
3.1 Princip protiskluzového systému ASR ... 23
3.1.1 Motorová regulace ASR ... 24
3.1.2 Brzdová regulace ASR ... 25
3.1.3 Elektronické řízení výkonu motoru EMS ... 26
3.2 Historie protiskluzového systému ASR ... 28
3.3 Vybrané typy systémů ASR ... 28
3.3.1 ASR 2 – DKB s řízením výkonu motoru a přibrzděním hnacích kol ... 28
3.3.2 ASR 2 – DKZ/MSR s řízením výkonu motoru ... 28
3.3.3 ASR 5 s řízením výkonu motoru a přibrzděním hnacích kol ... 29
4 Elektronický stabilizační program ESP ... 31
4.1 Princip elektronického stabilizačního programu ESP ... 32
4.2 Historie elektronického stabilizačního programu ESP ... 35
4.2.1 ESP ... 36
4.2.2 ESP II ... 36
4.2.3 ESP s funkcí DSR ... 36
BRNO 2013 9
OBSAH
5 Regulační systémy některých automobilek ... 38
5.1 BMW ... 38
5.2 Ford ... 38
5.3 VW ... 39
6 Budoucnost řízení automobilů ... 40
Závěr ... 41
Seznam použitých zkratek a symbolů ... 43
BRNO 2013 10
ÚVOD
Ú VOD
V dnešní době, kdy je automobilová doprava masově rozšířena, jsou nároky na bezpečnost posádky vozidla i přepravovaných věcí mnohonásobně vyšší, než tomu kdy bývalo. Aktivní bezpečnost se neustále vyvíjí, aby co nejrychleji a nejdokonaleji zasáhla do krizové situace řízení vozidla a tuto co nejvíce potlačila. Postupem času se tak vyvíjelo spoustu systémů, které měly za úkol dohlížet nad fyzikálními zákony a to hlavně při odvalování pneumatik po silnici. Většina těchto systémů totiž kontroluje skluz jednotlivých kol vozidla, protože kola, která prokluzují, jsou mnohonásobně méně stabilní než kola, která se pouze odvalují.
Jako první se v automobilovém průmyslu objevil systém ABS kontrolující jízdní stav vozidla při prudkém brzdění. ABS totiž zabraňuje blokaci kol a zachovává řiditelnost vozidla právě na hranici fyzikálních zákonů. Dalším vyvíjeným systémem uplatněným u automobilů byl systém ASR, který naopak kontroluje skluz kol při prudké akceleraci. I při náhlém zrychlení může být totiž významně ovlivněna stabilita vozidla. V dnešní době existuje řada ucelených stabilizačních programů (ESP), které kontrolují jízdu vozidla jako celek a k zajištění stability ve všech situacích používají senzorů a dílčích prvků jako právě ABS či ASR.
Všechny tyto stabilizační systémy a programy zachraňují dnes a denně tisíce řidičů po celém světě před nechtěnými situacemi v silničním provozu. Jsou navrženy tak, aby zasáhly do řízení vozidla rychleji než jakýkoliv zkušený řidič a v případě ztráty kontroly nad vozidlem řidiči s řízením pomohly nebo jej na chvíli zcela převzaly. V této práci se seznámíme nejen s již jmenovanými hlavními systémy, ale i některými dalšími, které jejich funkci doplňují.
BRNO 2013 11
STABILIZACE JÍZDY VOZIDEL
1 S TABILIZACE JÍZDY VOZIDEL
Elektronické stabilizační systémy mají všeobecně za úkol pomáhat řidiči motorového vozidla nejen předcházet vzniku smyku, ale případně mu pomoci s jeho vyrovnáním, pokud tato situace nastane. V dnešní době existuje mnoho různých typů, výrobců a značek těchto systémů, avšak princip funkce je založen vždy na stejné myšlence, a to zasáhnout do řízení vozidla takovým způsobem, aby byla tato krizová situace co nejrychleji a nejefektněji potlačena.
1.1 S
MYKSmyk je při řízení automobilu i motocyklu na pozemních komunikacích velice nepříznivým jevem, který se snažíme co nejvíce eliminovat nejen samotným řízením motorového vozidla, ale rovněž samotnou konstrukcí těchto vozidel. Nezvládnutí smyku v běžném silničním provozu pak může v některých situacích končit až dopravní nehodou a rozsáhlými škodami na samotném vozidle a případným zraněním nejen pasažérů, ale též třetích osob, které se nacházejí v daném okamžiku na pozemní komunikaci.
Z fyzikálního hlediska můžeme u motorových vozidel nazvat smykem stav, kdy se již kolo (pneumatika) přestává po vozovce pouze odvalovat, ale smýká se po daném povrchu, což má za následek ztrátu kontroly nad vozidlem.
Nejprve se podíváme na pár základních pojmů.
1.1.1 ADHEZE
Adhezi je teoreticky možné označit jako přilnavost pneumatiky k vozovce. Nemůžeme ji však nazvat jako pouhé tření, protože je to jev mnohem složitější (mikronerovnosti, makronerovnosti, dezén…). [5]
Velikost adhezní síly Fad [5]:
[N] (1)
kde ZK je zatížení kola, μ součinitel adheze a FBmax je maximální brzdná síla. [5]
Velikost součinitele adheze závisí na stavu vozovky a pneumatik. Hodnoty součinitele adheze jsou od μ = 1 pro ideální případ až po μ = 0,1 pro zledovatělou vozovku. Na vozovku je tedy možné přenést maximálně sílu rovnající se síle adhezní (resp. brzdné síle). [5]
1.1.2 SKLUZ
Jedná se o ztrátu tření mezi pneumatikou a vozovkou. Kolo není schopné přenést žádnou boční sílu a automobil se stává velice nestabilním. Skluz lze vyjádřit jako rozdíl mezi rychlostí vozidla vv a obvodovou rychlostí kola vk (obr. 1.1) a vypočítá se [5]:
[-] (2)
BRNO 2013 12
STABILIZACE JÍZDY VOZIDEL
Pokud je kolo brzděno (vk = 0), je skluz největší (s = 1), pokud se kolo volně odvaluje (vk = vv), je skluz nejmenší (s = 0). [5]
1.2 P
ŘEHLED HLAVNÍCH STABILIZAČNÍCH SYSTÉMŮ Mezi nejznámější a nejpoužívanější systémy patří zejména: ABS (kontrola skluzu kol při prudkém brzdění)
EDS (elektronické uzavírání diferenciálu)
EBD (elektronické rozdělování brzdné síly u jednotlivých náprav)
BAS (brzdový asistent při panickém brzdění)
ASR (kontrola skluzu kol při prudké akceleraci)
ESP (elektronický stabilizační program využívající jednotlivé podsystémy) Obr. 1.1 Odvalování kola [5]
vv – rychlost vozidla; vk – obvodová rychlost kola; - úhel otočení kola za
jednotku času
BRNO 2013 13
PROTIBLOKOVACÍ SYSTÉM ABS
2 P ROTIBLOKOVACÍ SYSTÉM ABS
Jeden z nejstarších asistenčních systémů, jehož úkolem je zabránit brzdícímu kolu v blokování a využít tak maximálně adhezi kola k vozovce a zkrátit brzdnou dráhu při prudkém brzdění (na hranici fyzikálních zákonů). Vše se děje tak, že je snímáno otáčení jednotlivých kol a pokud řídicí jednotka ABS zjistí skluz (tedy rychlost jednoho kola bude nižší), vydá brzdové soustavě rozkaz k regulaci brzdného tlaku a tím k odblokování kola.
Toto vše dokáže jednotka zajistit až 16x za sekundu a tím velice efektivně asistovat řidiči.
Systém ABS mu zajišťuje řiditelnost vozidla i přes tendenci ke smyku a zajišťuje tak stabilitu automobilu při nouzovém brzdění či brzdění na méně adhezních vozovkách.
2.1 P
RINCIP PROTIBLOKOVACÍHO SYSTÉMUABS
Aby bylo možné zabránit blokování kol při prudkém brzdění, je potřeba regulace brzdového obvodu. Regulační obvod se skládá ze tří základních prvků (obr. 2.1) [1]:
čidla (snímající okamžitou rychlost otáčení kola)
elektronické řídicí jednotky (mikropočítač)
akčního členu (regulační ventil nebo modulátor, který mění tlak v brzdovém kolovém válci)
Rozeznáváme systémy čtyřsnímačové, kdy je snímač otáček kol na každém kole, a třísnímačové, kdy jsou snímače otáček na kolech přední nápravy a na pastorku stálého převodu zadní nápravy. Při normálním brzdění teče kapalina od hlavního válce do brzdového kolového válce. Stupňový píst v jednotce pro uvolňování tlaku zůstává v horní poloze.
Obr. 2.1 Protiblokovací regulační systém ABS [1]
1 – hydraulický agregát s magnetickými ventily;
2 – hlavní brzdový válec; 3 – brzdový kolový válec;
4 – řídicí jednotka; 5 – snímač otáček
BRNO 2013 14
PROTIBLOKOVACÍ SYSTÉM ABS
Signály ze snímačů otáček kol jsou v každém okamžiku posílány do řídicí jednotky, která z nich dopočítává obvodové rychlosti jednotlivých kol a jejich skluzy. Pokud je řídicí jednotkou vyhodnocena situace jako krizová a dochází k blokování kol, vyšle signál akčním členům (tedy regulačním elektromagnetickým ventilům) kola, které projevilo známky nestability (prokluzu). Tlak oleje působí na píst jednotky pro uvolňování tlaku a tlačí jej dolů.
Objem kapaliny nad stupňovým pístem se zvětšuje a tím klesne brzdný tlak. Kuličkovým ventilem se uzavře brzdový okruh a systém přestane přijímat impulsy od řidiče. [3]
U tří snímačových systémů určuje společný tlak kolo s menším součinitelem přilnavosti (princip select-low). Tím se kolo s větším součinitelem adheze nepatrně nedobrzdí a následkem toho se brzdná dráha o trochu prodlouží. Ziskem však je větší stabilita vozidla.
Páry elektromagnetických ventilů se přepínají do tří stavů [3]:
první stav (bez proudu – vstupní ventil otevřený, výstupní ventil uzavřený) – hlavní brzdový válec a brzdové válečky kol se propojí, tlak brzdy může narůstat
druhý stav (vstupní ventil pod proudem – uzavřený) – hlavní brzdový válec se oddělí, tlak v brzdě je konstantní
třetí stav (oba ventily pod proudem – vstupní uzavřený, výstupní otevřený) – brzda kola se spojí s čerpadlem pro zpětnou dodávku, tlak v brzdě poklesne
Tím se může brzdný tlak snižovat nebo zvyšovat. Za sekundu probíhá 4 až 10 regulačních cyklů. [3]
Dle druhu snímání a zpracování signálu můžeme rozlišovat několik druhů regulací [3]:
individuální regulace (IR/IR) – každé kolo se reguluje zvlášť. U automobilu se dvěma nápravami se systém skládá ze 4 čidel, 4 akčních členů a elektroniky se 4 regulačními kanály. Tato regulace má nejkratší brzdnou dráhu. Nevýhodou však je možnost způsobení stáčivého momentu kolem svislé osy vozidla.
smíšená regulace (IR/SL) – 4 kanály, 4 čidla a diagonální zapojení brzd. Na přední nápravě je regulace individuální, zatímco zadní náprava je regulována společně kolem s horší adhezí (tzv. select-low).
modifikovaná individuální regulace (MIR – obměněná regulace select-low) na přední nápravě a individuální regulace (IR) na zadní nápravě. U přední nápravy se při regulaci udržuje konstantní tlak na neblokujícím se kole a na blokujícím se je tlak snižován do té doby, než je dosažena příslušná obvodová rychlost a tlak může být opět zvyšován. Poté je zvýšen tlak na kole s vyšší adhezí, až druhé kolo blokuje. Tento proces se opakuje až do zastavení vozidla.
Regulace IR/SL a MIR/IR mají menší stáčivý moment, takže je jízdní stav snadněji zvládnutelný. Dvoukanálové a jednokanálové systémy se nepoužívají. [3]
BRNO 2013 15
PROTIBLOKOVACÍ SYSTÉM ABS
2.2 H
ISTORIE PROTIBLOKOVACÍHO SYSTÉMUABS
Systém ABS byl vyvinut v roce 1978 firmou Bosch, avšak snaha o to, aby se kola vozidel při prudkém brzdění neblokovala, je ještě mnohem starší. Již v roce 1936 ohlásila firma Bosch patent na „Zařízení k zabránění silného brzdění kol motorového vozidla“. Bohužel však až s příchodem elektroniky do automobilového průmyslu bylo možno vyvinout zařízení dostatečně rychlé a schopné použití v motorových vozidlech. Jako první se toho systému dočkal Mercedes-Benz třídy S a nedlouho na to i BMW řady 7. [2]
Bosch vyvíjel své zařízení dále a postupem času tak vznikly další stabilizační systémy jako ASR, ESP a jiné (v této práci se jim budeme dále věnovat). [2]
Obr. 2.2 Varianty protiblokovacích systémů pro osobní automobily [1]
Obr. 2.3 Vývoj 25 let ABS [2]
BRNO 2013 16
PROTIBLOKOVACÍ SYSTÉM ABS
2.2.1 ABS2S
U tohoto systému od firmy Bosch z roku 1978 jsou hydraulický agregát a řídicí jednotka konstrukčně odděleny. Tříkanálový hydraulický agregát obsahuje čerpadlo hnané elektromotorem pro zpětnou dodávku a tři 3/3 elektromagnetické ventily, které regulují tlak.
Při rozdělení na přední a zadní nápravu má na starosti regulaci zadní nápravy pouze jediný elektromagnetický ventil. Při diagonálním rozdělení pak dva, protože každé kolo patří jednomu brzdovému okruhu. Tento systém může být třísnímačový (obě přední kola, pastorek stálého převodu zadní nápravy) nebo čtyřsnímačový (všechna kola). [3]
2.2.2 ABS5.0
Protiblokovací systém Bosch ABS 5.0 vznikl postupnou inovací systému ABS 2S. Hlavními znaky systému jsou především [1]:
Stavebnicový systém pro různá použití
Princip zpětné dodávky s uzavřeným brzdovým okruhem
Princip dvou mikropočítačů s rozsáhlým kontrolním softwarem
Největší rozdíl tohoto systému proti ABS 2S je v elektromagnetických ventilech hydraulické jednotky. Systém ABS 2S obsahuje 3/3 cestné elektromagnetické ventily, zatímco systém ABS 5.0 v sobě skrývá 2/2 cestné elektromagnetické ventily (obr. 2.4). [1]
Z důvodu zajištění správné funkce zpracovávaných signálů a kontrolního softwaru, obsahuje řídící jednotka dva paralelně pracující mikroprocesory, které se vzájemně kontrolují. Pokud jsou oba vstupní signály do mikroprocesorů shodné, musí být shodné i signály výstupní.
Dojde-li v průběhu výpočtů k odchylce mezi těmito signály, je rozpoznána chyba a ABS je vypnuto. Takto je neustále kontrolována správná funkce systému. [1]
Obr. 2.4 Porovnání systémů ABS a) Bosch 2S; b) Bosch 5.0 [1]
1 – tlumící komora; 2 – škrcení; 3 – zpětné čerpadlo; 4a – ventil 3/3;
4b – ventily 2/2; 5 – zásobník
BRNO 2013 17
PROTIBLOKOVACÍ SYSTÉM ABS
2.2.3 ABS5.3
Tento systém byl vyvinut pro osobní automobily nižších tříd. Má mnohem menší zástavbové rozměry při zachování stejných funkcí, jako má systém ABS 5.0. Elektromagnetické ventily jsou umístěny odděleně, přičemž hydraulické části jsou integrovány v hydraulické jednotce a elektrické části (vinutí elektromagnetu) jsou umístěny na tělese řídící jednotky. Elektronická řídící jednotka může být umístěna přímo na hydraulické jednotce nebo odděleně a propojena kabelovým svazkem. [1]
2.3 E
LEKTRONICKÁ UZÁVĚRKA DIFERENCIÁLUEDS
2.3.1 REGULOVATELNÝ UZAVÍRATELNÝ DIFERENCIÁL
Řízení uzavírání (zablokování) diferenciálu slouží obecně ke zvětšení trakce při rozdílné adhezi hnacích kol. Tento zásah může zvýšit stabilitu při ubrání plynu v zatáčce tím, že uzavřením diferenciálu je vnitřní (odlehčené) kolo unášeno vnějším kolem a tím nemá velký skluz a neztratí proto boční vodicí sílu. Vnější kolo pak může přenášet větší podíl brzdného momentu motoru. Tímto se vozidlo stabilizuje proti přetáčivosti. Tento zásah se provádí pouze, pokud je žádán obtížnou trakční situací (například jízdou v terénu). [3]
Uzavření vazby mezi levým a pravým hnacím kolem se dosáhne hydraulicky stlačitelnými lamelami v diferenciálu. Toto může být plynule regulováno od základní hodnoty až po úplné uzavření. Hydraulický tlak je pak získáván z tlakového zásobníku. Celé zapojení je znázorněno na obr. 2.5. [3]
2.3.2 EDS
EDS je zkratka (z německého Elektronische Differentialsperre, z anglického Electronic Differential System) pro systém elektronického uzavírání diferenciálu. Jeho použití je možné pouze v kombinaci s protiblokovacím systémem ABS. Systém EDS pomáhá řidiči při rozjezdu (tedy za nízkých rychlostí) na povrchu, který nemá jednotný koeficient tření pod levým a pravým kolem, tak, že přibrzďuje protáčející se kolo a tím rozděluje hnací moment
Obr. 2.5 Hydraulické schéma řazení pro regulovatelný diferenciál [3]
BRNO 2013 18
PROTIBLOKOVACÍ SYSTÉM ABS
motoru nerovnoměrně na obě (popř. všechny čtyři) poháněná kola. Systém tak používá namontované části systému ABS na vozidle. Jako příklad můžeme použít systém Bosch ABS/ABD 5 (z německého Automatische Brems-Differentialsperre), který je rozšířením ABS 5.0 a ABS 5.3. Protože v tomto systému musí být hnaná kola brzděna vždy jednotlivě, má v sobě hydraulická jednotka obou brzdových okruhů osm elektromagnetických ventilů k úpravě brzdných tlaků (jako systém Bosch ABS 5.0) a navíc ještě čtyři elektromagnetické ventily pro zvyšování tlaku. [1]
Tento systém je pro řidiče užitečný tím, že mu umožňuje bezpečný rozjezd i na kluzké vozovce. [1]
2.3.3 PRINCIP ELEKTRONICKÉ UZÁVĚRKY DIFERENCIÁLU EDS
Jak již bylo řečeno, systém EDS pracuje s brzdovým systémem, tudíž je nutná přítomnost jednotky ABS pro vyhodnocování informací o stavu levého a pravého hnaného kola. Avšak oproti systému ABS působí vlastně opačně. Zatímco ABS povoluje blokující se kolo několikrát za sekundu, EDS naopak přibrzďuje prokluzující poháněné kolo a tím přenáší větší krouticí moment na kolo s lepším koeficientem adheze pod pneumatikou. Systém EDS tím vlastně i zmenšuje opotřebení pneumatik způsobené protáčením kol na špatném povrchu. [1]
Obr. 2.7 Hnací síly s využitím EDS [1]
Obr. 2.6 Hnací síly bez uzávěrky diferenciálu [1]
BRNO 2013 19
PROTIBLOKOVACÍ SYSTÉM ABS
Rovnice k obr. 2.6 a 2.7 [1]:
[N] (3)
[N] (4)
[N] (5)
(6)
Na obr. 2.6 a 2.7 jsou znázorněny síly působící na hnacích kolech v podélném směru doplněné rovnicemi, kde F je hnací síla, Fcelk.1 celková dopředná síla (bez EDS), Fcelk.2
celková dopředná síla (s EDS), FEDS přídavná hnací síla, MA hnací moment, MB brzdný moment a R poloměr kol. [1]
Systém EDS skutečně pracuje pouze za nízkých rychlostí, tedy většinou při rozjezdu, a při vyšších rychlostech se vypíná. Zvláště u vozidel s předním pohonem a výkonově slabším motorem můžeme systém EDS skutečně chápat jen jako rozjezdovou pomoc, která musí být časově omezena, protože při dlouhé činnosti tohoto systému by opravdu mohlo dojít k přehřátí brzd. U vozů s poháněnou pouze jednou nápravou k vypnutí EDS dochází při dosažení rychlosti 40 km/h, u vozů s náhonem na všechna kola pak při rychlosti 80 km/h. [1]
Závislost rozdílu otáček kol (prokluzu) na rychlosti vozidla u systému ASR/EDS [7]:
Obr. 2.8 Poháněná přední náprava, rozdíl otáček mezi předními koly: do 40 km/h provádí regulaci systém EDS, při vyšších rychlostech pak
redukuje systém ASR točivý moment motoru [7]
BRNO 2013 20
PROTIBLOKOVACÍ SYSTÉM ABS
2.4 E
LEKTRONICKÉ ROZDĚLOVÁNÍ BRZDNÉ SÍLYEBD
Systém ABS s elektronickým rozdělováním brzdné síly EBD (Electronic Brakeforce Distribution) zahrnuje vliv změny zatížení náprav při brzdění a reguluje brzdný tlak na jednotlivých nápravách. Funkce EBD je dodatečný program k ABS a umožňuje poněkud jemnější regulaci brzdného tlaku u zadních kol. Tento systém nemusí nutně působit jen při prudkém panickém brzdění, ale i u normálního brzdění v závislosti na zatížení vozidla a přilnavosti vozovky. [1]
2.4.1 PRINCIP ELEKTRONICKÉHO ROZDĚLOVÁNÍ BRZDNÉ SÍLY EBD
Regulace EBD není určována brzdným tlakem ale skluzem pneumatik. V závislosti na skluzu umožňuje EBD snížení brzdného tlaku na zadních kolech, čímž zvyšuje jízdní stabilitu. Toto snížení tlaku probíhá v určitých fázích udržování tlaku. Pomocí speciálního softwaru je
Obr. 2.9 Poháněná přední náprava, rozdíl otáček mezi koly přední a zadní nápravy: v celém rozsahu rychlostí vyrovnává otáčky výlučně
systém ASR [7]
Obr. 2.10 Poháněná přední náprava, rozdílem otáček mezi předními koly i mezi koly přední nápravy a zadní nápravy: do 40 km/h jsou aktivní oba
systémy EDS i ASR, při vyšších rychlostech pracuje pouze ASR [7]
BRNO 2013 21
PROTIBLOKOVACÍ SYSTÉM ABS
zamezeno blokování zadních kol. Pokud začne některé kolo blokovat, začne působit regulace ABS. U regulace EBD je ovládání obou zadních brzdových okruhů společné. [1]
Regulace EBD probíhá ve stabilní oblasti využívané přilnavost vozovky (obr. 2.11). [1]
2.5 B
RZDOVÝ ASISTENTBAS
Jelikož se ukázalo, že mnoho řidičů váhavě až nesměle ovládá brzdový pedál, bylo nutné zavést další asistenční systém. Tentokrát právě na rozpoznání váhavého přístupu řidiče k brzdění. Pokud dojde k nouzové situaci, systém automaticky zahájí plné brzdění, i pokud řidič nesešlápne brzdový pedál ihned naplno. Často se však také stává, že řidič uvolní brzdový pedál příliš brzo, to však systém též rozpozná a nepřestane s intenzivním brzděním. To vše se děje během několika milisekund. Brzdovým asistentem se tak zkrátí brzdná dráha u zkušených řidičů o 15 % a u průměrných řidičů až o 40 %. [3]
Brzdový asistent má následující úkoly [3]:
rozeznat situaci panického brzdění, aby se brzdný tlak udaný řidičem zvýšil na brzdný tlak tak velký, že všechna kola dosáhnou meze blokování a tím vzniká regulace ABS
rozeznat konec panického brzdění, aby se brzdný tlak snížil na brzdný tlak udaný řidičem
Brzdové asistenty můžeme dělit na [4]:
mechanické - MBA (Mechanical Brake Assist)
elektronické
hydraulické - HBA (Hydraulic Brake Assist)
Obr. 2.11 Součinitel přilnavosti A v závislosti na skluzu B [%] [1]
C – stabilní oblast (regulace EBD); D – nestabilní oblast;
E – kritická oblast (regulace ABS); F – 100% skluz (kolo blokuje)
BRNO 2013 22
PROTIBLOKOVACÍ SYSTÉM ABS
Mechanický brzdový asistent je zabudován přímo do posilovače brzdného účinku. Protože brzdový asistent zpomaluje automobil až na mez blokování kol, instaluje se pouze u vozidel s protiblokovacím systémem ABS. [3]
Obr. 2.12 Hydraulický brzdový asistent, brzdné vlastnosti při panickém brzdění [3]
1 – aktivuje se brzdový asistent; 2 – odlehčení brzdového pedálu;
3 – brzdový asistent vypíná
BRNO 2013 23
PROTISKLUZOVÉ SYSTÉMY ASR
3 P ROTISKLUZOVÉ SYSTÉMY ASR
Podobně jako při brzdění může lehce dojít ke ztrátě přilnavosti pneumatik k vozovce i při prudké akceleraci. Kolo nemůže přenést žádnou sílu a velice snadno může dojít ke smyku vozidla. Proto se výrobci asistenčních systému zaměřili na kontrolu vozidla i při zrychlování.
Zatímco při brzdění pomáhá řidiči asistenční systém ABS, o kontrolu skluzu při akceleraci se stará systém ASR (z německého Antriebsschlupf-Regelung, z anglického Anti Skid Regulation). Tento systém nejen zvyšuje bezpečnost silničního provozu, ale též redukuje opotřebení pneumatik a hnacího ústrojí způsobené prokluzujícími koly. ASR má samočinně zasáhnout v kritických situacích. Řidič pak může pomocí kontrolek ASR sledovat činnost systému v situacích na hranici fyzikálních zákonů. [3]
Protiskluzové systémy mají především za úkol zajistit řiditelnost a stabilitu vozidla při prudké akceleraci (v případě, že nejsou překročeny fyzikální zákony). Různé automobilky používají různé typy těchto systémů. U Mercedesu a Audi je to tedy ASR, společnost BMW používá systém ASC (z německého Automatische-Stabilität-Control) a například Honda či Mazda systém TSC (z anglického Traction Control System). [3]
Díky dobrým zkušenostem s regulací ABS se systém ASR staví na základě systému ABS.
Poslední dobou se stále víc používá společná regulace ABS/ASR (tedy asistence řidiči při prudkém brzdění i při akceleraci na hranici přilnavosti k vozovce). [3]
3.1 P
RINCIP PROTISKLUZOVÉHO SYSTÉMUASR
Protiprokluzová soustava je řízena elektronicky na základě soustavného porovnávání otáček všech kol vozidla. Rozdíl těchto otáček na jednotlivých kolech může být způsoben buď probrzděním nebo naopak prokluzem některého z nich. K vyhodnocení situace se využívá snímačů otáček kol, které jsou společné pro ABS i ASR, a řídicí jednotky ABS rozšířené a systém ASR. Rozdíl je však ve způsobu zasáhnutí do řízení vozidla a zamezení krizové situace (smyku). [3]
Regulace prokluzu musí zabránit ztrátě přilnavosti kol k vozovce při akceleraci (popř.
rozjezdu) za následujících situací [3]:
na vozovce s náledím na jedné nebo obou stranách vozidla
při akceleraci v zatáčce
při jízdě do kopce (u vozidla s náhonem na přední nápravu) Kromě toho ASR napomáhá [3]:
snižovat opotřebení pneumatik a hnacího ústrojí, které způsobuje prokluz kol
prokluzující kola mohou přenášet pouze malé boční síly (stejně jako kola zablokovaná), automobil se stává nestabilní a vybočuje ze svého směru. ASR pomáhá řidiči udržovat vozidlo pod kontrolou, čímž zvyšuje bezpečnost silničního provozu
na rozdíl od mechanického závěru diferenciálu řídí ASR samočinně výkon motoru, čímž zabraňuje prokluzu kol, pokud řidič v zatáčce prudce akceleruje
BRNO 2013 24
PROTISKLUZOVÉ SYSTÉMY ASR
Když řidič vozidla přidává plyn, zvyšuje tím točivý moment motoru, který se přenáší hnacím ústrojím až na poháněná kola. Pokud je součinitel adheze dostatečný, výkon se přenese na vozovku a vozidlo bez problémů plně akceleruje. Pokud je však moment dodávaný na poháněnou nápravu příliš velký nebo součinitel adheze příliš malý, dochází k prokluzu kol a ztrátě stability vozidla. Systém ASR v této krizové situaci zasáhne a sníží prokluz poháněných kol během zlomku sekundy na nejlepší možnou mez. To může učinit několika způsoby pomocí [3]:
motorová regulace (snížení hnacího momentu)
brzdová regulace (přibrzďování hnacích kol)
regulace uzavírání diferenciálu
zásah do spojení motoru s hnacími koly
3.1.1 MOTOROVÁ REGULACE ASR
V případě zážehových motorů je regulace motoru prováděna pomocí vstřikování paliva, zapalování nebo nastavení polohy škrticí klapky. Z hlediska pohodlí a složení výfukových plynů je regulace motoru pomocí zásahu do plnění palivem přes škrticí klapku nejvhodnější, protože motor je nejméně zatížen. Nevýhoda motorové regulace spočívá v relativně dlouhé reakční době, která však může být zkrácena pomocí přídavného zásahu do vstřikování a zapalování. Pokud tedy řídicí jednotka vydá rozkaz k vynechání zapalovacích impulsů, musí být přerušeno i vstřikování paliva, aby nedocházelo ke zhoršení složení výfukových plynů a tím k nadměrnému zatížení katalyzátoru. Pokud by došlo pouze k přerušení vstřikování, systém regulace by měl opět poněkud delší náběh, protože motor by ještě nasával a spaloval již připravené palivo. [3]
V případě vznětových motorů se mění pouze množství vstřikovaného paliva. To může být uskutečněno několika způsoby, jako je například elektronicky ovládaný pedál akcelerátoru nebo ovládání vstřikovacího čerpadla. [3]
Obr. 3.1 Porovnání reakční doby u různých způsobů regulace ASR [4]
1 – regulace výkonu motoru škrticí klapkou/přibrzdění hnacích kol;
2 – regulace výkonu motoru škrticí klapkou a řízením zapalování;
3 – regulace výkonu motoru škrticí klapkou
BRNO 2013 25
PROTISKLUZOVÉ SYSTÉMY ASR
Další podkapitolou je regulace brzdného momentu motoru MSR (z německého Motorschleppmoment-Regelung), o kterou je možno systém ASR přídavně doplnit. Tato regulace má za úkol točivý moment motoru naopak nepatrně zvyšovat právě tehdy, když řidič prudce ubere plyn při nízkém rychlostním stupni, čímž by mohlo dojít k brzdnému skluzu na vozovce s nízkým součinitelem adheze. Snímače otáček na kolech předávají informace jednotce ABS, která o vzniklém skluzu informuje řídicí jednotku motoru. Ta zvýší otáčky motoru, čímž se zvýší hnací moment tak, aby se brzdění snížilo na hodnotu zaručující jízdní stabilitu (obr. 3.2). [1]
Pouhý zásah do zapalování a vstřikování se z hlediska komfortu řadí mezi méně používané.
Proto se tedy přidává další metoda a to brzdová regulace hnaných kol. [1]
3.1.2 BRZDOVÁ REGULACE ASR
Tato metoda regulace zajišťuje nejkratší možnou reakční dobu, protože při zvyšování brzdného tlaku dochází okamžitě k ovlivnění skluzu hnaného kola. Z důvodů komfortu a bezpečnosti však nemůže být umožněn okamžitý možný nárůst brzdného tlaku.
U automobilů, u kterých se využívá metody regulace pomocí škrticí klapky, může být brzdění kol vhodným doplňkem zkracující dobu reakce a zvyšující řiditelnost a stabilitu vozidla. [3]
Brzdová regulace ASR má působit jako uzávěr diferenciálu. Obr. 3.3 nám demonstruje silové rozložení na hnacích kolech v podélném směru. [3]
Kolo, které má větší součinitel adheze
μ
H, může přenášet sílu FH, zatímco kolo s menším součinitelem adhezeμ
L přenáší sílu FL (H = high = vysoký, L = low= nízký). Diferenciál může ale přenášet pouze dvakrát menší sílu FL. Aby bylo zabráněno prokluzu kola s menším součinitelem adheze, je na toto kolo přivedena brzdná síla FB. To umožňuje přenášet větší trakční sílu Fmax. [3]Obr. 3.2 Regulace brzdného momentu MSR [1]
BRNO 2013 26
PROTISKLUZOVÉ SYSTÉMY ASR
Hnací moment motoru je regulován podle maximální trakční síly Fmax, brzdná síla F*B plyne z brzdného momentu MB přepočtem v závislosti na dynamickém poloměru kola rd [3]:
[N] (7)
[N] (8)
[N] (9)
U automobilů s pohonem předních kol a slabším motorem můžeme chápat tuto regulaci pomocí přibrzďování kol jako prostou rozjezdovou pomoc. Ta by však měla fungovat pouze krátce a za nízkých rychlostí, aby nedocházelo k přehřátí brzd. [3]
3.1.3 ELEKTRONICKÉ ŘÍZENÍ VÝKONU MOTORU EMS
Aby mohl systém ASR vůbec správně pracovat a zasáhnout do výkonu motoru vozidla, musí být nahrazeno klasické mechanické propojení mezi plynovým pedálem a škrticí klapkou (v případně zážehových motorů) nebo regulační tyčí vstřikovacího čerpadla (v případě vznětových motorů). Používá se proto elektronické řízení výkonu motoru EMS (z německého Elektronische Motorleistung Steuerung), někdy nazývané též elektronický plyn nebo EGAS.
EMS upřednostňuje příkazy systému ASR před příkazy přicházejícími od řidiče, tedy od snímače polohy akcelerátoru. [3]
Obr. 3.3 Účinek uzávěrky diferenciálu vzniklý díky brzdné síle [3]
FB – brzdná síla; FB
* - brzdná síla vztažená na účinný poloměr; μH a μL – nejvyšší a nejnižší součinitel adheze; FH a
FL – maximálně přenositelná síla na vozovce s μH a μL
BRNO 2013 27
PROTISKLUZOVÉ SYSTÉMY ASR
Snímač polohy plynového pedály posílá informace převedené na elektrický signál do jednotky EMS, která uvědomí nastavovací motor, který pohybuje tyčí vstřikovacího čerpadla a hlásí její pozici zpět řídicí jednotce. To vše za předpokladu, že nepřichází krizový signál z jednotky ASR, který by byl vyhodnocen přednostně. [3]
Systém ASR využívá komponentů systému ABS doplněný o některé funkce, díky podobnosti principu určování otáček jednotlivých kol. [3]
Snímače otáček vysílají z jednotlivých kol informace řídicí jednotce, která si poté spočítá obvodové rychlosti. [3]
Řídicí jednotka ABS je rozšířena o elektroniku ASR. Jako u ABS zachycuje informace o otáčkách jednotlivých kol. Pokud je skluz na hnaných kolech příliš velký, aktivuje se regulace ASR. [3]
Hydraulická jednotka ABS je rozšířena o část ASR. Provádí příkazy řídicí jednotky a řídí, nezávisle na řidiči, příslušný tlak v brzdách kol přes elektromagnetické ventily. [3]
U automobilů se vznětovým motorem se hnací moment motoru ovlivňuje zásahem na regulační tyč vstřikovacího čerpadla (redukce vstřikovaného množství paliva). [3]
Obr. 3.4 Elektronické řízení výkonu motoru EGAS pro ASR (Bosch) [1]
1 – řídicí jednotka ABS/ASR; 2 – řídicí jednotka Monotronic s EGAS; 3 – snímač
akceleračního pedálu; 4 – nastavovací motor; 5 – škrticí klapka (nebo vstřikovací
čerpadlo); 6 – snímač otáček kola
BRNO 2013 28
PROTISKLUZOVÉ SYSTÉMY ASR
3.2 H
ISTORIE PROTISKLUZOVÉHO SYSTÉMUASR
Protiprokluzový systém ASR začala asi v polovině osmdesátých let používat firma Mercedes- Benz. Jako historicky první však použila protiprokluzové zařízení švédská firma Volvo, a to v roce 1982. Do vozidla Volvo 760 začala montovat zařízení nesoucí název ETC (tedy Elektronic Traction Control), což byla vlastně elektronická regulace hnací síly. Systém ETC je dodáván zároveň s protiblokovacím zařízením ABS, protože obě zařízení mají několik společných prvků. [3]
3.3 V
YBRANÉ TYPY SYSTÉMŮASR
3.3.1 ASR2–DKB S ŘÍZENÍM VÝKONU MOTORU A PŘIBRZDĚNÍM HNACÍCH KOL
Tento typ systému ASR vychází z ABS 2S a z ASR s nastavením škrticí klapky (DK) a přídavným přibrzděním hnacích kol. Elektronika a hydraulika systému ABS je pak doplněna o jednotlivé části systému ASR. [3]
3.3.2 ASR2–DKZ/MSR S ŘÍZENÍM VÝKONU MOTORU
Základem tohoto typu systému je opět ABS 2S a ASR s nastavením škrticí klapky (DK). Dále je zde elektronické řízení motoru (EMS) a přídavné řízení zapalování (Z) a vstřikování.
V tomto systému se používá pouze regulace brzdného momentu motoru (MSR), nikoliv však přibrzďování hnacích kol. Hydraulické části ABS zůstávají nezměněny, elektronika je doplněna o části ASR. [3]
Obr. 3.5 Princip elektronické regulace hnací síly ETC [3]
1a – řídicí jednotka; 1b – čidla otáček jednotlivých kol; 2 – řídicí jednotka motoru
BRNO 2013 29
PROTISKLUZOVÉ SYSTÉMY ASR
3.3.3 ASR5 S ŘÍZENÍM VÝKONU MOTORU APŘIBRZDĚNÍM HNACÍCH KOL
Regulace ASR5 je komplexní systém regulace prokluzu zajišťující ideální jízdní stabilitu popř. řiditelnost vozidla přídavně s optimálním přenosem síly při rozjezdu. Kombinovaný hydroagregát ABS/ASR5 obsahuje navíc kromě vstupních a výstupních ventilů ještě ventily sací a výtlačné, které usnadňují regulaci brzdného tlaku. [3]
Ke zlepšení přenosu trakční síly na vozovce s různými povrchy se především používá přibrzdění hnacího kola (kola s tendencí k prokluzu) a tím je dosaženo požadované kontroly prokluzu. [3]
Hnací moment motoru může být podle požadavků ABS/ASR a v závislosti na použitém systému řízení motoru redukován těmito způsoby [3]:
nastavením polohy škrticí klapky
vynecháním zapalovacích a vstřikovacích impulsů
změnou okamžiku zážehu
Především u automobilů s pohonem zadní nápravy je relativně pomalý zásah do průběhu momentu motoru pomocí nastavení škrticí klapky doplněn o rychlou změnu okamžiku zážehu a vynechání zážehových a vstřikovacích impulsů. [3]
Točivý moment zážehového motoru je redukován na optimální prokluz. Při nízké rychlosti automobilu je měřítkem kolo s vyšším součinitelem adheze (regulace select-high), naopak při vyšších rychlostech je to kolo s nižším součinitelem adheze (regulace select-low). [3]
U zážehového motoru je škrticí klapka ovládána pomocí elektromotoru či elektromagneticky a její poloha je vyhodnocována potenciometrem. U vznětového motoru je ovládáno vstřikovací čerpadlo. Poloha plynového pedálu je přes senzor převedena na elektrický signál, který je v elektronickém řídicím přístroji (při uvažování informací z ostatních senzorů, jako
Obr. 3.6 Bosch ASR 2-DKZ/MSR s nastavením škrticí klapky (EMS) a řízením zapalování/vstřikování [3]:
1 – snímače otáček; 2 – hydraulická jednotka ABS; 3 – elektronická řídicí jednotka ABS/ASR; 4 – elektronická řídicí jednotka EMS; 5 – elektronická
řídicí jednotka Motronic; 6 – škrticí klapka
BRNO 2013 30
PROTISKLUZOVÉ SYSTÉMY ASR
teplota a otáčky motoru) přeměněn na řídicí napětí pro elektrický akční motor. Tento motor ovládá škrticí klapku nebo regulační páku vstřikovacího čerpadla a zpětně ohlašuje její pozici řídicímu přístroji. Příkazy vydávané od ASR jsou v řídicím přístrojí vyhodnocovány přednostně před zásahy řidiče. [3]
Elektronický jízdní pedál může přejímat další funkce [3]:
nahrazení mechanického pedálu akcelerátoru variabilnějším ústrojím
regulace nebo omezení rychlosti
přesná regulace volnoběžných otáček v závislosti na zatížení a teplotě chladicí kapaliny
Pokud ASR zaznamená skluz poháněného kola, upraví okamžik zápalu. Jestliže však ani toto opatření není dostatečné k odstranění skluzu, vypne zapalování úplně. To má však za následek, že do motoru je stále přiváděno palivo, které poté odchází do výfukového potrubí a do katalyzátoru, což má za následek nevhodné složení výfukových plynů. Proto je tedy nezbytné v případě vypnutí zapalování také přerušit vstřikování paliva. Kontrola vstřikování a zapalování se velmi usnadní, pokud se ve vozidle použije moderní řízení motoru (Motor- Management-Systém), jako například Bosch-Monotronic. [3]
Elektronicky regulované vstřikovací systémy zážehových motorů (například Bosch L, Bosch JE-Jetronic) přizpůsobují dávku paliva vstřikovanou do motoru jeho měnícím se stavům (senzory pro množství vzduchu, počet otáček, teplotu). Regulace u vznětových motorů přivádí za pomoci senzoru signál z akceleračního pedálu do řídicího přístroje, kde se slučuje s dalšími informacemi (jako třeba otáčky motoru, teplota, plnicí tlak). Řídicí jednotka pak z těchto dat počítá výstupní signál k regulaci mechanického vstřikovacího čerpadla.
Samozřejmě jsou upřednostňovány signály přicházející ze systémů ASR. Též mohou být vykonávány další funkce jako u elektronického plynového pedálu. [3]
Jak bylo psáno výše, systém ASR využívá některých prvků regulace ABS. Zvláště pak ale u vozidel s předním pohonem je žádoucí rozdílný druh nárůstu tlaku. Zatímco ASR vyžaduje pro lepší komfort a menší zpětný účinek na volant pomalejší nárůst tlaku, ABS naopak nárůst prudší. Proto je tedy v systému použit tlakový modulátor v plunžrovém provedení. Plunžry jsou řízeny elektromagnetickými ventily. Při činnosti systému ASR je pak pomocí ventilu otevřena primární strana brzdového okruhu, zatímco centrální ventil uzavírá spojení k hlavnímu brzdovému válci a umožňuje tak tlakový nárůst v brzdách hnacích kol. Při brzdění automobilu a činnosti systému ABS protéká kapalina plunžrem hnacího kola volně (bez škrcení). Pokud je systém ASR dodáván jako nadstandardní výbava, může tato koncepce přinášet výhodu v tom, že není nutné měnit hydraulické zařízení ABS a montážní místo pro ASR lze libovolně měnit. [3]
Pokud má vozidlo již jiný nezávislý zdroj tlaku (například pro hydraulickou regulaci podvozku) a tento je pro systém ASR vyhovující, může výše popsaná plunžrová koncepce nabízet vhodné a nenákladné řešení. Pro vozidla se slabší motorizací s pohonem přední nápravy může být vedle hydraulického též elektrické ovládání plunžru. [3]
BRNO 2013 31
ELEKTRONICKÝ STABILIZAČNÍ PROGRAM ESP
4 E LEKTRONICKÝ STABILIZAČNÍ PROGRAM ESP
Při řízení automobilu mohou nastat situace, ve kterých je vozidlo jen velmi těžko ovladatelné.
Často mohou být tyto situace i zkušenými řidiči nesprávně odhadnuty a vozidlo se tak například díky prudkému manévru volantem dostává do smyku. V této situaci nepomůže ani systém ABS, který pomáhá řidiči s prudkým brzděním, ani systém ASR, která zase pomáhá při prudké akceleraci. Ke slovu tedy přichází systém jízdní stability ESP, který reguluje skluz pneumatiky nejen v podélném, ale i příčném směru a zvyšuje tak stabilitu vozidla ve stopě při průjezdu zatáčkou a zároveň snižuje nebezpečí smyku při brzdění, zrychlení i při volném pohybu vozidla. Celá regulační technika systému ESP potřebuje velice výkonnou elektroniku a snímače. [3]
Stabilizace jízdy automobilu je docíleno samočinnými zásahy do brzd jednotlivých kol a hnacího momentu motoru bez zásahu řidiče. Pokud systém zjistí díky snímačům příčně dynamický kritický stav, dojde k přibrzdění daných kol a tím se vytvoří točivý moment kolem svislé osy automobilu, který kompenzuje nežádoucí nedotáčivost, popř. přetáčivost vozidla.
Současně se sníží hnací moment motoru. To vše má za následek stabilizaci vozidla. [3]
Pokud hrozí například vybočení zadní části u přetáčivého pohybu vozidla, jsou přibrzděna kola na vnější straně, kdy největší brzdná síla působí na přední vnější kolo (obr. 4.1 vpravo).
V případě nedotáčivého chování vozidla se stabilizace provede přibrzděním kol na vnitřní straně zatáčky, kdy největší brzdná síla působí na zadní vnitřní kolo (obr. 4.1 vlevo). Systém současně sleduje, jak na danou kritickou situaci reaguje řidič. [3]
Obr. 4.1 Zásah ESP při nedotáčivém nebo přetáčivém chování vozidla [3]
vlevo: 1 – s ESP; 2 – bez ESP; 3 – brzdná síla; 4 – vyrovnání nedotáčivosti vpravo: 1 – bez ESP; 2 – s ESP; 3 – brzdná síla; 4 – vyrovnání přetáčivosti
BRNO 2013 32
ELEKTRONICKÝ STABILIZAČNÍ PROGRAM ESP
4.1 P
RINCIP ELEKTRONICKÉHO STABILIZAČNÍHO PROGRAMUESP
Systém ESP zlepšuje jízdní chování vozidla. Díky ABS se nemohou kola blokovat, díky ASR nemohou zase prokluzovat. Dobré vedení automobilu závisí na tom, jak přesně sleduje jízdní stopu, která je dána průběhem úhlu natočení volantu, a zda automobil zůstává stabilní, tedy při pohybech volantu ani nevybočuje a ani se nestává nestabilním. Proto systém ESP reguluje jak rychlost stáčení (úhlová rychlost otáčení vozidla kolem svislé osy), tak odchylky směru jízdy od podélné osy vozidla (úhel směrové úchylky těžiště vozidla). [3]
ESP zvyšuje bezpečnost jízdy za těchto situací [3]:
aktivní podpora řidiče při působení bočních sil na vozidlo
zvýšená jízdní stabilita ve všech jízdních stavech (jako maximální brzdění, částečné brzdění, volné pojíždění, brzdění motorem)
zvýšená jízdní stabilita v kritických situacích (reakce ze strachu nebo panická reakce)
v různých situacích ještě lepší využití součinitele adheze
Systém ESP využívá brzdovou soustavu k cílenému řízení vozidla pomocí toho, že brzdí jednotlivá kola tak, aby vozidlo zůstalo stabilní i v kritických situacích. Hlavní úloha brzd, tedy zpomalení vozidla, ustupuje a ESP je využívá k cílenému podporování řidiče při riziku vzniku smyku. Jednotlivá kola však mohou být nejen brzděna, ale i zrychlována. Brzdícím zásahem na některém z kol vzniká stáčivý moment působící směrem ze zatáčky, zmenší se stáčivá rychlost a omezí se nárůst úhlu směrové úchylky vozidla. Dalšími krátkými brzdnými zásahy se vozidlo zcela stabilizuje a automobil pak sleduje jízdní stopu danou natočením volantu. [3]
Vozidlo se až do mezní rychlosti chová jako vozidlo neregulované. Jelikož se však vozidlo nachází již na mezi stability, systém nereaguje na řidičův požadavek dalšího zrychlování.
Zásahy motoru a jednotlivých kolových brzd mají za následek, že se úhel natočení volantu již nemusí zvětšovat a úhel směrové odchylky těžiště vozidla se nezvětšuje. Tím vznikají menší odchylky od zadaného směru jízdy. [3]
Regulační odchylka je rozdíl mezi požadovaným chováním vozidla, které požaduje řidič v mezní situaci, a skutečným chováním. Celý systém regulace vychází ve svých možnostech daleko nad ABS a ABS/ASR. Brzdné, hnací a boční síly na kolech se regulují tak, že se chování vozidla blíží řidičem požadovanému chování. Do výpočtu požadovaného chování vozidla pak vstupují ještě součinitele přilnavosti a rychlost vozidla, které jsou určeny ze snímačů otáček kol, bočního zrychlení, brzdných tlaků a stáčivé rychlosti. Celá regulace je znázorněna na obr. 4.2. [3]
BRNO 2013 33
ELEKTRONICKÝ STABILIZAČNÍ PROGRAM ESP
Změna boční síly nemá přímý vliv na příčnou rychlost a tedy také na úhel směrové úchylky těžiště vozidla. Příčný pohyb však způsobuje stáčivý moment, který má tendenci otáčet vozidlem kolem svislé osy a tím měnit úhel směrové úchylky těžiště vozidla a úhly směrových úchylek pneumatik. Regulátor může navíc ovlivňovat skluz pneumatiky, při kterém se vytvoří boční síly a tím nepřímo požadovaný stáčivý moment, který stabilizuje vozidlo. [3]
Regulační obvod má k dispozici veličiny měřené (stáčivá rychlost, úhel natočení volantu, boční zrychlení) a veličiny odhadované (podélná rychlost vozidla, podélné síly pneumatik a hodnoty skluzu pneumatik) a z nich určuje boční síly na kole, úhly směrových úchylek kol, úhel směrové úchylky těžiště a příčnou rychlost vozidla. [3]
ESP reguluje stáčivou rychlost a úhel směrové úchylky těžiště a vypočítává stáčivý moment, který je nutný ke stabilizaci vozidla do požadovaného stavu. Regulační program má uloženo maximální možné příčné zrychlení a jiné veličiny, které byly pro každé vozidlo zjištěny při ustálené jízdě v kruhu. Přitom základ tvoří zjištěná závislost mezi úhlem natočení volantu a stáčivou rychlostí (uloženo jako jednostopý model). Pokud se dosadí vyšší hodnota adheze pneumatiky než jaká je ve skutečnosti, situace je hodnocena jako příliš příznivá a vozidlo se stává nestabilním. [3]
Obr. 4.2 Regulační soustava ESP umístěná ve vozidle (Bosch) [3]:
1 – snímač stáčivé rychlosti se snímačem bočního zrychlení; 2 – snímač úhlu natočení volantu; 3 – snímač neregulovaného brzdného tlaku; 4 – snímače otáček; 5 – řídicí jednotka ESP; 6 – hydraulická jednotka; 7 – brzdy; 8 – řídicí jednotka managementu
motoru; 9 – úhel zážehu; 10 – vstřikování paliva; 11 – škrticí klapka
BRNO 2013 34
ELEKTRONICKÝ STABILIZAČNÍ PROGRAM ESP
Vstupní signály pro řídicí jednotku ESP jsou [3]:
poloha spínací skříňky zapalování
úhel natočení volantu
otáčky každého kola
stáčivá rychlost
příčné zrychlení
brzdný tlak
poloha brzdového pedálu a parkovací brzdy
Příklady některých snímačů systému ESP [3]:
Odchylky mezi požadovanými a skutečnými hodnotami se porovnávají s daty v daném vozidle. Mikropočítač z toho pak vypočítá nutné korektury, které vedou ke zmenšení těchto odchylek. Tato operace se provádí, dokud není odchylka téměř nulová. Regulace se ukončí.
Obr. 4.5 znázorňuje příčnou dynamiku při fixovaném volantu (kruhová jízda).
Poloha 1 představuje okamžik natočení volantu. Poloha 2 je jízdní stopa na vozovce s vysokou adhezí, vozidlo tedy sleduje smět jízdy. Poloha 3 ukazuje stav, kdy je boční zrychlení větší než součinitel adheze (kluzká vozovka) a regulace stáčivé rychlosti vede k tomu, že se vozidlo sice tolik nenatáčí jako v případě 2, ale kvůli velkému úhlu směrové úchylky těžiště hrozí nestabilita vozidla. Poloha 4 pak znázorňuje vozidlo regulované ESP, tedy je regulována stáčivá rychlost i úhel směrové úchylky vozidla α. [3]
Obr. 4.3 Snímač úhlu natočení volantu [1]
Obr. 4.4 Dvojitý snímač pro snímání bočního zrychlení a
stáčivé rychlosti [3]
BRNO 2013 35
ELEKTRONICKÝ STABILIZAČNÍ PROGRAM ESP
4.2 H
ISTORIE ELEKTRONICKÉHO STABILIZAČNÍHO PROGRAMUESP
Prvenství v uvedení stabilizačního programu ESP do běžného provozu drží automobilka Mercedes-Benz a firma Bosch. Ti přišli roku 1994 se systémem regulace jízdní dynamiky FDR a o rok později již pod označením ESP. [6]
Cestu systému ESP přichystaly systémy ABS a ASR. Objevila se myšlenka, že nestačí automobil stabilizovat v podélném směru, ale i v příčném, protože například při průjezdu zatáčkou nebo při prudkém vyhýbacím manévru hrozí reálné riziko smyku. Proto byl odstartován projekt regulace příčného skluzu. Po mnoha výpočtech a simulacích byly v roce 1987 připraveny první zkušební vozy, které s tímto systémem najezdily mnoho testovacích kilometrů. [6]
V Berlíně byl tento vynález testován na simulátoru jízdy, kdy 80 řidičů jelo rychlostí 100 km/h po imaginární silnici s různými adhezními podmínkami v zatáčkách. Test prokázal, že 78 % účastníků nemělo bez ESP šanci udržet automobil na vozovce. Proto vývoj sériové verze, který začal v roce 1992, měl velice rychlý nástup. [6]
Obr. 4.5 Trajektorie vozidla [3]:
1 – skokové natočení volantu, fixovaný volant;
2 – jízdní stopa na drsném povrchu vozovky;
3 – jízdní stopa na kluzké vozovce s řízením stáčivé rychlosti;
4 – jízdní stopa na kluzké vozovce s dodatečnou regulací úhlu směrové úchylky α
BRNO 2013 36
ELEKTRONICKÝ STABILIZAČNÍ PROGRAM ESP
V roce 1994 dostali novináři z celého světa možnost vidět premiéru aktivního systému bezpečné jízdy ESP, kdy na zamrzlém Hornovanském jezeru (severní Švédsko) mohli sledovat jízdu dvou automobilů Mercedes-Benz, z nichž pouze jedno bylo vybaveno systémem ESP. Toto vozidlo zvládalo kroužit po zkušební dráze bez větších problémů, zatímco vozidlo bez ESP pouze s velkými obtížemi a nutnou neustálou korekcí směru jízdy.
Tím bylo světu dokázáno, že aktivní zásah elektroniky do řízení automobilu, může pomoci při zvládnutí smyku při nepříznivých adhezních podmínkách. [6]
Zásluhu o větší rozšíření systému ESP má pak Mercedes-Benz třídy A, který se při tzv. losím testu převrátil (losím testem je nazýván prudký úhybný manévr před nečekanou překážkou, ve Švédsku nejčastěji los evropský – tedy losí test). Proto byl v roce 1998 ESP instalován jako sériová výbava třídy A a o rok později pak do všech ostatních automobilů značky Mercedes- Benz. [6]
4.2.1 ESP
Tento základní stabilizační systém vyžaduje velmi výkonnou elektroniku a snímače ABS a ASR. Mimo to také obsahuje snímač úhlu natočení volantu, kombinovaný snímač míry otáčení a příčného zrychlení, snímač tlaku brzdové kapaliny a regulaci točivého momentu motoru. [5]
4.2.2 ESPII
Systém ESP je dále podpořen o nově integrované celky [5]:
zásah do řízení
změna útlumu v odpružení
další regulace pro stabilitu vozidla (nedotáčivost/přetáčivost)
Nejdůležitějším prvkem ESP II je tedy aktivní řízení. To se opírá o způsob, kdy je elektromotorem ovládáno korunové kolo planetové převodovky vložené mezi hřídel volantu a spojovací tyč ve směru k převodce řízení. Vše musí být přesně sladěno s brzdovou soustavou. Největší problém do systému ale vnáší člověk svým nepředvídatelným chováním v krizových situacích. [5]
4.2.3 ESP SFUNKCÍ DSR
I v systému ESP DSR (z anglického Driver Steering Recommendation nebo Dynamic Steering Response) se jedná o zásah do řízení. Oproti ESP II však nejde o automatickou změnu řízení, ale řidiči je do volantu poslán silový impuls ve smyslu protiřízení. Provedení je mnohem jednodušší než u ESP II, protože moment, který je do volantu poslán, pochází od elektrického posilovače řízení. ESP lze většinou deaktivovat tlačítkem, avšak systém DSR zůstává aktivní. [5]
BRNO 2013 37
ELEKTRONICKÝ STABILIZAČNÍ PROGRAM ESP
ESP je název stabilizačního programu firmy Bosch. Jednotlivé automobilky pak mohou mít své konstrukce těchto systémů a pro ty pak volí své názvy. Většinou všechny systémy pracují na stejném principu a liší se například pouze v nastavení nebo rozměrech. Některé zkratky stabilizačních programů a jejich plné názvy různých automobilek jsou uvedeny v tab. 4.1. [5]
Tab. 4.1 Elektronické systémy jízdní stability [5]
Zkratka Celé označení Automobilka používající daný systém
systému
ESP Electronic Stability Program
Audi, VW, Škoda, Seat, Daimler-Chrysler Fiat, KIA, Opel
Citroën, Dodge, Ford, Hyundai, Jeep Peugeot, Renault, Saab, Suzuki ESC Electronic Stability Control Honda
VDC Vehicle Dynamic Control Fiat, Alfa Romeo, Hyundai, Infiniti, Nissan DSC Dynamic Stability Control BMW, Ford, Jaguar, Land Rover, Mazda,
Rover, Mini
VSC Vehicle Stability Control Toyota, Lexus (Vehicle Dynamics Integrated Management - VDIM)
VDCS Vehicle Dynamics
Subaru Control Systems
DSTC Dynamic Stability and
Volvo Traction Control
StabiliTrak General Motors
RSC Roll Stability Control Ford
CST Controllo Stabilita Ferrari
MSP Maserati Stability Program Maserati PSM
Porsche Stability
Management Porsche
PCS Precision Control Systém Oldsmobile Multimode Activ Skid and
Mitsubishi Traction System
AdvanceTrac Mercury, Lincoln
VSA Vehicle Stability Assist Hyundai, Acura
BRNO 2013 38
REGULAČNÍ SYSTÉMY NĚKTERÝCH AUTOMOBILEK
5 R EGULAČNÍ SYSTÉMY NĚKTERÝCH AUTOMOBILEK 5.1 BMW
Firma BMW používá svůj systém stabilizace s názvem DSC (Dynamic Stability Control), který vychází z principů systému ESP. Podsystémem DSC je systém ASC (Automative Stability Control), který reguluje ihned výhradně točivý moment motoru. Nejprve jednotka vydá povel ke snížení otáček motoru ubráním plynu (elektronický jízdní pedál), dále může snížit předstih zážehu, popř. vypnout zapalování a nakonec i zastavit dodávku paliva. Systém ASC rozpozná i počínající malý prokluz kola a reaguje přitom bez aktivace brzdy v jednotkách milisekund. [3]
Další rozšíření systému nese název ASC + T (Traction). Podobnost se systémem ASR je v přibrzďování prokluzujícího kola. To je vlastně princip brzděného diferenciálu, avšak pouze do 40 km/h, což vede ke snížení opotřebení brzd. Systém ASC lze vyřadit spínačem na palubní desce, to může být výhodné v některých zvláštních provozních situacích. [3]
Oba systémy ASC i ASC + T mohou navíc ještě eliminovat nadměrný skluz hnacích kol při prudkém ubrání plynu regulací MSR. Elektronické spojení s řídícími přístroji pro regulaci motoru a pohonu se skládá z elektronické regulace výkonu motoru EML (Elektronische Motor Leistungregulung), číslicové elektroniky motoru DME (Digitale Motor Elektronik) a elektronického řízení převodovky EGS (Elektronische Getriebe Steuerung). Podstatnými vstupními signály pak jsou otáčky všech čtyř kol. [3]
5.2 F
ORDZnačka Ford instaluje do svých vozů systém BTCS (Brake Traction Control System). Ten přibrzďuje prokluzující kolo pomocí systému ABS. Tím se větší podíl hnacího momentu přenáší na druhé kolo. Kvůli negativnímu ovlivnění stability při vyšších rychlostech zasahují brzdy pouze do určité rychlosti (u vozu Tranzit do 40 km/h, u vozů Mondeo a Cougar do 90 km/h). [3]
Některá vozidla jsou vybavena protiprokluzovým systémem SFTC (Spark Fuel Traction Control). Prokluzování hnaných kol se v tomto případě eliminuje společným zásahem do brzd a motoru. Regulační zásah motoru zajišťuje řídicí jednotka úpravou okamžiku zážehu a množstvím paliva (Spark/Fuel). Ta vypočítá potřebný okamžik zážehu a počet odpojených vstřikovačů pro dosažení požadovaného hnacího momentu. Odpojení jednotlivých válců je řízeno tak, aby se zachovala stabilita a řiditelnost vozidla. Současně může dojít k přibrzdění prokluzujícího kola jako u regulace BTCS. Zásah motoru je možný i při vyšší rychlosti. [3]
Výhody regulace SFTC vzhledem k regulaci BTCS [3]:
menší zatížení brzdové soustavy
menší zatížení hnacího ústrojí
lepší jízdní stabilita
lepší řiditelnost
kratší doba odezvy (reakční doba)
funguje také při vysokých rychlostech
BRNO 2013 39
REGULAČNÍ SYSTÉMY NĚKTERÝCH AUTOMOBILEK
5.3 VW
Automobilka nabízí ve svých vozech stabilizační program EDS se systémem DSR. Vozidlo bez DSR má totiž výrazně delší brzdnou dráhu na vozovce s rozdílnou adhezí, kdy dochází pouze k přibrzďování jednotlivých kol. Systém DSR je schopný vyvinout malý točivý moment, který je poslán do volantu řidiči a ten intuitivně natočí volant v požadovaném směru a aktivně tak podpoří systém ESP. Brzdná dráha se tak může zkrátit až o 10%. [1]
